JP2020505580A - 燃焼後デバイス及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書では、文脈が特に指示しない限り、
a)「AS」はオーストラリア規格を意味する。
b)「炉の排気ガス」とは、炉で生成される排気ガス(あらゆる微粒子を含む)である。典型的には、炉の排気ガスは従来通り、煙突の煙道を通って大気又は後処理機器に排出される。
c)「連結された」とは、直接連結されたものはもちろん、間接的に連結されたものも意味する。
d)面積に関する「断面」又は「断面の」のような変形例は、通常のガスの流れの方向に直角に物体を貫く、断面の内部空間で画定される領域を指す。
e)「comprise(有する)」、「comprises(有する)」又は「comprising(有する)」などの変形例は、記載された要素、完全体、若しくはステップ、又は要素、完全体、若しくはステップの群を含むことを意味するが、他のどんな要素、完全体、若しくはステップ、又は要素、完全体、若しくはステップの群も除外するものではないことを理解されよう。
f)「チャンバ」とは、任意選択で他のチャンバ、ダクト、又は通路に連結される、密閉された空間又は空洞を意味する。この定義には、使用中に単一のユニットとして機能する複数のチャンバもまた含まれる。
g)「冷却器」とは、熱交換器などの冷却用の入れ物、容器、又は装置を意味する。
h)統計的な意味での「モード」とは、1組の数値内で検出される、最も頻繁に発生する数値を指す。モードは、各結果の頻度をカウントするために、データを収集及び整理することにより検出される。本明細書では、測定値は、最も近い5ミリメートルに丸められる。
i)「K」は、ケルビンで表示される温度の記号である。
j)「g」は、グラムである。
k)「mg」は、ミリグラム(10−3グラム)である。
l)「min」は、文脈に応じて1分又は複数分である。
m)「遠心圧縮機」は、エネルギーが1組の回転羽根車の羽根からガスに伝達される圧縮機である。ガスの流れは放射状であり、エネルギーは、ガスに作用する遠心力の変化によって伝達される。
n)「T304L」は、17〜20%のクロム、8〜10.5%のニッケル、最大0.03%以下の炭素、2%以下のマグネシウム、0.75%以下のシリコン、0.045%以下のリン、及び0.03%以下の硫黄の、非鉄成分を含む、製造業でよく知られたステンレス鋼材料の1種類である。
o)「SCH10」は、ASME/ANSI B 36.10「溶接及びシームレス鍛造鋼管」による、標準パイプ寸法である。
p)「NB」は、mmで表された定格の孔(内径)である。
q)「Nm3」は、標準温度及び標準圧力(0℃及び101.3kPa)での、乾量立方メートルにおけるガスの容積である。
r)「CO」は、一酸化炭素である。
s)「CO2」は、二酸化炭素である。
t)「NOX」とは、NOやNO2など、1つの窒素原子及び1つ又は複数の酸素原子を含む分子の総称である。
u)「PM」は、粒子状物質である。
v)「H2S」は、硫化水素である。
w)「STP」は、標準の温度及び圧力(0℃及び101.3kPa)を意味する。
x)「VOC」とは、293.15K(すなわち20℃)で0.01kPaを超える蒸気圧を持つ、大気中の光化学反応に関与する炭素鎖又は炭素環に基づく化学化合物である。以下の化合物は、定義から除外される。一酸化炭素、メタン、アクリルアミド、ベンゼンヘキサクロロ、ビフェニル、クロロフェノール、フタル酸n − ジブチル、エチレングリコール、フタル酸ジ − (2 − エチルヘキシル)(DEHP:di − (2 − ethylhexyl)phthalate)、4,4 − メチレンビス2,4アニリン(MOCA:4,4 − methylene bis2,4aniline)、メチレンビス、フェノール、及びトルエン − 2,4 − ジイソシアネート。
y)「TVOC」は、VOCが周囲の空気又は排出物中に存在するとき、レポートを簡素化するために、種々のVOCをグループ化したものである。本発明におけるTVOCの測定において、かかる物質は、汚染された空気、すなわち液相ではなく化合物によって放出されるガスの蒸気中に存在しているはずである。
z)「TVOC(プロパン)」とは、プロパンを使用して較正されたセンサを使用して測定されたTVOCを意味する。
aa)「径違い継手」は、パイプの寸法を、より大きな孔(内径)からより小さな孔に縮小する配管系の部品である。この縮小する長さは、通常、パイプの直径より大きい径と、より小さい径との平均に等しい。径違い継手には、同心の径違い継手と、偏心した径違い継手との、主な2種類がある。本明細書では、主に同心の径違い継手が使用される。径違い継手は、流体の流れる方向に依存しないため、上流で直径が小さく、下流で直径が大きい径違い継手を使用することができる。
bb)USEPAは、米国環境保護局を意味する。
a)(使用中に)炉に連結し、炉の排気ガスが燃焼後装置内に進入することを可能にし、これにより、(使用中に)装置に入る炉の排気ガスの最上流位置を画定する、炉の煙道入口。
b)入口及び出口を有し、出口は、(使用中に)装置を出る処理された炉の排気ガスの最下流位置を画定し、その結果ガスは、(使用中に)前記最上流位置と前記最下流位置との間を流れる、燃焼後排気チャンバ。
c)炉の煙道入口に連結された入口と、出口と、冷却要素とを有する冷却器。
d)冷却器の出口に連結された入口と、出口と、使用中に燃焼後ガス燃料を炉の排気ガスに取り込んで混合する、混合チャンバ入口の下流に配置された燃焼後ガス燃料噴射ポートとを有する混合チャンバ。
e)冷却器の出口と混合チャンバの入口との間に挿置され、冷却器から混合チャンバへのガスの流れを実質的に一方向にのみ可能にするよう構成される逆止弁。
f)混合チャンバの出口に連結された入口と、燃焼排気入口に連結された出口とを有する燃焼膨張チャンバ。
g)混合チャンバ又は燃焼膨張チャンバ内の燃料噴射ポートの下流に配置された点火器。
h)使用中に、炉の排気ガス及び微粒子を、炉の煙道入口から燃焼後装置を介して下流へ、そして燃焼後排気出口へ運ぶよう構成された、燃焼後装置に連結されたガス動力システム。
i)ここで、ガスの流れに垂直な燃焼膨張チャンバの内壁によって境界を画された燃焼膨張チャンバの断面積のモードは、ガスの流れに垂直な混合チャンバの内壁及び排気によって画定された混合チャンバの断面積のモードよりも大きい。
j)ここで、ガスの流れに垂直な燃焼排気チャンバの内壁によって境界を画された燃焼排気チャンバの断面積のモードは、混合チャンバの断面積のモードよりも大きい。
a)炉の排気ガスが燃焼後装置内へ進入することを可能にする、炉から炉の煙道入口を通して炉の排気ガスを供給するステップであって、それにより装置に入る炉の排気ガスの最上流位置を画定するステップ。
b)処理された炉の排気ガスを、燃焼後排気チャンバの出力から排出するステップであって、燃焼後排気チャンバは入口及び出口を有し、出口は、装置を出る処理された炉の排気ガスの最下流位置を画定し、その結果ガスは、前記最上流位置と前記最下流位置との間を流れるステップ。
c)炉の排気ガスを、炉の煙道入口である入口、出口、及び冷却要素を有する冷却器内に供給するステップ、及び炉の排気ガスを冷却するステップ。
d)冷却された炉の排気ガスを混合チャンバ内に供給するステップであって、混合チャンバは、冷却器の出口に連結された入口、出口、及び混合チャンバ入口の下流に配置された燃焼後ガス燃料噴射ポートを有するステップ、及び冷却された炉の排気ガスを燃焼後ガス燃料と混合するステップ。
e)ガスに逆止弁を通過させることによってガスの逆流を防ぐステップであって、逆止弁は、冷却器の出口と混合チャンバの入口との間に挿置され、冷却器から混合チャンバへのガスの流れを実質的に一方向にのみ可能にするよう構成されるステップ。
f)混合され冷却された炉の排気ガス及び燃焼後ガス燃料を、燃焼膨張チャンバ内に送るステップであって、燃焼膨張チャンバは、混合チャンバ出口に連結された入口と、燃焼排気入口に連結された出口とを有するステップ。
g)混合チャンバ又は燃焼膨張チャンバ内の燃料噴射ポートの下流に配置された点火器を使用して、混合され冷却された炉の排気ガス及び燃焼後ガス燃料に点火するステップ。
h)ガスを炉の煙道入口から燃焼後装置を介して下流へ、そして燃焼後排気出口へ運ぶ、燃焼後装置に連結されたガス動力システムを使用することにより、燃焼後プロセスにおいてガスを運ぶステップ。
i)ここで、燃焼する冷却された炉の排気ガス及び燃焼後ガス燃料の混合物は、燃焼膨張チャンバが、ガスの流れに垂直な混合チャンバの内壁及び排気によって画定された混合チャンバの断面積のモードよりも大きい、ガスの流れに垂直な燃焼膨張チャンバの内壁によって境界を画された燃焼膨張チャンバの断面積のモードを持つために、燃焼膨張チャンバにわたって自由に膨張できる。
j)ここで、燃焼され冷却された炉の排気ガス及び燃焼後ガス燃料の混合物は、燃焼膨張チャンバが、混合チャンバの断面積のモードよりも大きい、ガスの流れに垂直な燃焼排気チャンバの内壁によって境界を画された燃焼排気チャンバの断面積のモードを持つために、燃焼膨張チャンバを自由に出ることができる。
図面を参照して、使用中に、炉500には、コンベヤ510によって焼却されるべき廃棄物(図示せず)が供給される。廃棄物(図示せず)は、ドア520を介して炉の燃焼チャンバ530に入り、そこで燃焼される。
燃焼後装置及び燃焼後プロセスの有効性テストは、独立したテスト機関であるSIMTARS(ABN59 020 847 551、オーストラリアのクイーンズランドに本拠を置く)により実施された。この機関では、混合廃棄物を燃焼する際の一般的なガス(CO、CO2、NOx、総VOC、及びH2S)並びに粒子状物質(PM:particulate matter)を含む空気排出量の削減における、可燃性ガスシステムの効率を評価した。
別の燃焼後ガスである水素を使用した燃焼後装置の有効性を実証するために、別のテストを行った。
一酸化炭素出力値を監視するさらなる定性的なテストを実施し、ノズル圧力を上げるがノズルの開口を小さくすることが、効率を高めることを示した。ノズルの数を減らすと、燃焼後プロセスの効率が、より低下した。
本発明は、産業、特に環境に放出する前に有害性がより低い形態に処理する必要があるガス状排出物を生成する産業に適用可能である。かかるガスを生成する多くの産業があり、有毒又は環境に有害なガス状排出物を減らすための規制要件があることが多い。さらに、産業のプロセスでは、水素、又は一酸化炭素及び水素などの燃焼後ガス燃料に好適なガスを生成し、産業間の相乗効果を潜在的に可能にする。本発明は、環境へのガス状排出物の放出に関する少なくともいくつかの規制要件を満たすのに役立つ。
Claims (50)
- 燃焼後装置であって、
a)(使用中に)炉に連結し、炉の排気ガスが前記燃焼後装置内に進入することを可能にし、それにより(使用中に)前記装置に入る炉の排気ガスの最上流位置を画定する、炉の煙道入口と、
b)入口及び出口を有し、前記出口は、(使用中に)前記装置を出る、処理された炉の排気ガスの最下流位置を画定し、それによりガスは(使用中に)前記最上流位置と前記最下流位置との間を流れる、燃焼後排気チャンバと、
c)前記炉の煙道入口に連結された入口、出口、及び冷却要素を有する冷却器と、
d)前記冷却器の前記出口に連結された入口、出口、及び燃焼後ガス燃料噴射ポートを有する混合チャンバであって、前記燃焼後ガス燃料噴射ポートは、前記混合チャンバ入口の下流に配置され、且つ使用中に燃焼後ガス燃料を導入して炉の排気ガスと混合する、混合チャンバと、
e)前記冷却器の出口と前記混合チャンバの入口との間に挿置され、前記冷却器から前記混合チャンバへの前記ガスの流れを実質的に一方向にのみ可能にするよう構成される逆止弁と、
f)前記混合チャンバの出口に連結された入口、及び前記燃焼排気の入口に連結された出口を有する燃焼膨張チャンバと、
g)前記混合チャンバ内の前記燃料噴射ポート又は前記燃焼膨張チャンバの下流に配置された点火器と、
h)使用中に、炉の排気ガス及び微粒子を、前記炉の煙道入口から前記燃焼後装置を通して下流へ、そして前記燃焼後排気の出口へ運ぶよう構成された、前記燃焼後装置に連結されたガス動力システムと
を有する燃焼後装置において、
i)前記ガスの流れに垂直な前記燃焼膨張チャンバの内壁によって境界を画定された燃焼膨張チャンバの断面積のモードは、前記ガスの流れに垂直な前記混合チャンバの内壁及び排気によって画定された混合チャンバの断面積のモードよりも大きく、
j)前記ガスの流れに垂直な前記燃焼排気チャンバの内壁によって境界を画定された燃焼排気チャンバの断面積のモードは、前記混合チャンバの断面積のモードよりも大きい
燃焼後装置。 - 前記燃焼膨張チャンバの前記断面積のモードの比率は、前記混合チャンバの前記断面積のモードの比率よりも大きい、請求項1に記載の燃焼後装置。
- 前記混合チャンバの前記断面積のモードの比率の少なくとも2倍である、請求項1又は2に記載の燃焼後装置。
- 前記燃焼排気チャンバの断面積のモードは、前記混合チャンバの前記面積のモードの比率の少なくとも2倍である、請求項1から3までのいずれか一項に記載の燃焼後装置。
- 前記燃焼後排気チャンバの出口は、排気煙道煙突に連結される、請求項1から4までのいずれか一項に記載の燃焼後装置。
- システム内にさらなる酸素が導入され得ないように、前記炉と前記排気煙突との間の排気経路が空気から密閉される、請求項1から5までのいずれか一項に記載の燃焼後装置。
- 前記冷却要素は、蒸気管熱交換器である、請求項1から6までのいずれか一項に記載の燃焼後装置。
- 前記混合チャンバの長さは、0.3mから1.5mの間である、請求項1から7までのいずれか一項に記載の燃焼後装置。
- 前記混合チャンバの長さは、0.8mから1.5mの間である、請求項1から8までのいずれか一項に記載の燃焼後装置。
- 前記燃焼後ガス燃料噴射ポートは、前記チャンバ内に少なくとも1つのノズルを備える、請求項1から9までのいずれか一項に記載の燃焼後装置。
- 前記少なくとも1つのノズルは、使用中に、前記炉の排気ガスの流れ方向に対して少なくとも部分的に径方向に垂直に、燃焼後ガス燃料を旋回させるよう角度づけされる、請求項10に記載の燃焼後装置。
- ノズルを備えた3つの燃焼後ガス燃料噴射ポートがある、請求項1から11までのいずれか一項に記載の燃焼後装置。
- 前記燃料噴射ポートは、0.1〜0.3mの間隔をあけて配置され、前記炉の排気ガスの伝播方向に延出する、請求項12に記載の燃焼後装置。
- 前記少なくとも1つのノズルは、ほぼ下流方向に、前記燃焼後ガス燃料を旋回させるよう角度づけされる、請求項10から13までのいずれか一項に記載の燃焼後装置。
- 前記ノズルの1つは、乱流を与えるために他のノズルに対して斜め方向に向けられる、請求項12又は13に記載の燃焼後装置。
- 前記少なくとも1つのノズルの角度は、変えることができる、請求項10から15までのいずれか一項に記載の燃焼後装置。
- 前記燃焼膨張チャンバは、内部がセラミックで裏打ちされる、請求項1から16までのいずれか一項に記載の燃焼後装置。
- 前記燃焼膨張チャンバは、内部が鋳造セラミックで裏打ちされる、請求項17に記載の燃焼後装置。
- 前記燃焼膨張チャンバは、内部がカオリン・セラミック粘土を使って裏打ちされる、請求項17又は18に記載の燃焼後装置。
- 前記点火器は、前記燃焼膨張チャンバの前記入口の近傍に配置される、請求項1から19までのいずれか一項に記載の燃焼後装置。
- 前記点火器は、種火、スパーク・プラグ、一連のスパーク・プラグ、又はこれらの組合せである、請求項1から20までのいずれか一項に記載の燃焼後装置。
- 前記点火器は、白金スパーク・プラグである、請求項21に記載の燃焼後装置。
- 前記点火器は、3つのスパーク・プラグである、請求項21に記載の燃焼後装置。
- 物質収集チャンバが前記燃焼膨張チャンバと前記燃焼後排気チャンバとの間に設置され、前記物質収集チャンバは、ガス通路と物質収集容器とを有する、請求項1から23までのいずれか一項に記載の燃焼後装置。
- 前記物質収集容器は、それと密接に関連する少なくとも1つの磁石を有する、請求項24に記載の燃焼後装置。
- 前記磁石は、少なくとも1つの電磁石である、請求項25に記載の燃焼後装置。
- 前記物質収集容器は、前記排気の流れと前記少なくとも1つの電磁石との間に水トレイを有する、請求項26に記載の燃焼後装置。
- U字型ベンド・パイプが、前記装置内に設置される、請求項1から27までのいずれか一項に記載の燃焼後装置。
- 前記U字型ベンド・パイプは、前記物質収集チャンバの前に配置される、請求項28に記載の燃焼後装置。
- 水套が、前記燃焼膨張チャンバと前記最下流位置との間に設置される、請求項1から29までのいずれか一項に記載の燃焼後装置。
- 燃焼後のプロセスであって、
a)炉の排気ガスが燃焼後装置内へ進入することを可能にする、炉から炉の煙道入口を通して炉の排気ガスを供給するステップであって、それにより前記装置に入る炉の排気ガスの最上流位置を画定しているステップと、
b)処理された炉の排気ガスを、燃焼後排気チャンバの出口から排出するステップであって、前記燃焼後排気チャンバは入口及び前記出口を有し、前記出口は、前記装置を出る処理された炉の排気ガスの最下流位置を画定し、それによりガスは、前記最上流位置と前記最下流位置との間を流れるステップと、
c)炉の排気ガスを、前記炉の煙道入口である入口、出口、及び冷却要素を有する冷却器であって、前記炉の排気ガスを冷却する冷却器に供給するステップと、
d)冷却された炉の排気ガスを混合チャンバ内に供給するステップであって、前記混合チャンバは、前記冷却器の前記出口に連結された入口、出口、及び前記混合チャンバ入口の下流に配置された燃焼後ガス燃料噴射ポートを有し、且つ冷却された炉の排気ガスを燃焼後ガス燃料と混合する、ステップと、
e)ガスに逆止弁を通過させることによってガスの逆流を防ぐステップであって、前記逆止弁は、前記冷却器の出口と前記混合チャンバの入口との間に挿置され、前記冷却器から前記混合チャンバへの前記ガスの流れを実質的に一方向にのみ可能にするよう構成されている、ステップと、
f)前記混合され冷却された炉の排気ガス及び燃焼後ガス燃料を、燃焼膨張チャンバ内に送るステップであって、前記燃焼膨張チャンバは、前記混合チャンバ出口に連結された入口、及び前記燃焼排気入口に連結された出口を有している、ステップと、
g)前記混合チャンバ内の前記燃料噴射ポート又は前記燃焼膨張チャンバの下流に配置された点火器を使用して、前記混合され冷却された炉の排気ガス及び燃焼後ガス燃料に点火するステップと、
h)ガスを前記炉の煙道入口から前記燃焼後装置を通して下流へ、そして前記燃焼後排気出口へ運ぶ、前記燃焼後装置に連結されたガス動力システムを使用することにより、前記燃焼後プロセスにおいて前記ガスを運ぶステップと
を含む燃焼後のプロセスにおいて、
i)前記燃焼する冷却された炉の排気ガス及び燃焼後ガス燃料の混合物は、前記ガスの流れに垂直な前記混合チャンバの内壁及び排気によって画定された混合チャンバの断面積のモードよりも大きい、前記ガスの流れに垂直な前記燃焼膨張チャンバの内壁によって境界を画定された燃焼膨張チャンバの断面積のモードを有する前記燃焼膨張チャンバによって、前記燃焼膨張チャンバにわたって自由に膨張でき、
j)前記燃焼され冷却された炉の排気ガス及び燃焼後ガス燃料の混合物は、前記混合チャンバの断面積のモードよりも大きい、前記ガスの流れに垂直な前記燃焼排気チャンバの内壁によって境界を画定された燃焼排気チャンバの断面積のモードを有する前記燃焼膨張チャンバによって、前記燃焼膨張チャンバを自由に出ることができる
燃焼後のプロセス。 - 前記燃焼排気チャンバ出口は、少なくとも一部の処理された炉の排気ガスが前記炉の中へリサイクルされるように、前記炉の入口と流体連結する排気煙道煙突に連結される、請求項31に記載の燃焼後のプロセス。
- 前記混合チャンバ内の酸素レベルは、大気レベル未満である、請求項31又は32に記載の燃焼後のプロセス。
- 前記炉と前記排気煙突との間の排気経路は空気から密閉され、システム内にはさらなる酸素が取り込まれない、請求項33に記載の燃焼後のプロセス。
- 前記排気経路は、少なくとも前記膨張チャンバと同じ断面積であることによって、背圧を最小限に抑える、請求項31から34までのいずれか一項に記載の燃焼後のプロセス。
- 少なくとも一部の処理された炉の排気ガスが、発電機の熱源として使用される、請求項31から35までのいずれか一項に記載の燃焼後のプロセス。
- 炉の排気ガスは、前記冷却器によって360Kから395Kの間に冷却される、請求項31から35までのいずれか一項に記載の燃焼後のプロセス。
- 前記燃焼後ガス燃料を、前記混合チャンバ内で、前記炉の排気ガスの流れ方向に対して少なくとも部分的に径方向に垂直に旋回させる、請求項31から37までのいずれか一項に記載の燃焼後のプロセス。
- 前記燃焼後ガス燃料は、STPで少なくとも1,950℃の空気中での火炎温度を持つ、空気中で燃焼できるガスである、請求項31から38までのいずれか一項に記載の燃焼後のプロセス。
- 前記燃焼後ガス燃料は、プロパン、ブタン、メタン、及びプロパン−ブタン混合物からなる群から選択される、請求項39に記載の燃焼後のプロセス。
- 前記燃焼後ガス燃料は、STPで少なくとも2,000℃の空気中での火炎温度を持つ、空気中で燃焼できるガスである、請求項31から38までのいずれか一項に記載の燃焼後のプロセス。
- 前記燃焼後ガス燃料は、CO/H2混合物(水素55〜65%及び一酸化炭素30〜35%)、水素、アセチレン、プロパン、シアン、及びジシアノアセチレンからなる群から選択される、請求項41に記載の燃焼後のプロセス。
- 前記燃焼後ガス燃料は、STPで480℃を超える空気中の点火温度を持つ、請求項31から42までのいずれか一項に記載の燃焼後のプロセス。
- 前記燃焼後ガス燃料は、CO/H2混合物(水素55〜65%及び一酸化炭素30〜35%)又は水素である、請求項43に記載の燃焼後のプロセス。
- 前記炉の排気ガスは、ノズルの近傍における炉の排気ガスが前記燃焼後ガス点火温度を上回らないように十分に冷却され混合される、請求項31から44までのいずれか一項に記載の燃焼後のプロセス。
- 前記炉の排気ガスは、前記ノズルの近傍における炉の排気ガスが395Kを上回らないように十分に冷却され混合される、請求項45に記載の燃焼後のプロセス。
- 前記ノズルの角度は変えることができ、前記ノズルは、燃焼後の反応から発せられる高まる轟音に基づいて、最適な燃焼を実現させるために調整される、請求項31から46までのいずれか一項に記載の燃焼後のプロセス。
- 物質収集容器が、前記燃焼膨張チャンバの下流で微粒子を収集し、前記微粒子は、電磁場によって前記容器に抜き取られ、水槽に取り込まれる、請求項31から47までのいずれか一項に記載の燃焼後のプロセス。
- 前記物質収集容器の前で、前記燃焼する冷却された炉の排気ガス及び燃焼後ガス燃料の混合物の乱流が増大される、請求項48に記載の燃焼後のプロセス。
- 前記燃焼する冷却された炉の排気ガス及び燃焼後ガス燃料の混合物は、前記燃焼され冷却された炉の排気ガス及び燃焼後ガス燃料の混合物が2秒以内に冷却されるように、前記燃焼膨張チャンバと前記最下流位置との間にある水套と接触することによって冷却され、それにより前記ガスは、500℃未満の温度で前記装置の前記出口を出る、請求項31から49までのいずれか一項に記載の燃焼後のプロセス。
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